[发明专利]一种适用于多端直流电网的双主断型多端口混合直流断路器

说明书

本发明涉及一种适用于多端直流电网的双主断型多端口直流断路器，利用二极管的单向导电性来选择故障电流路径，然后通过MB中断故障电流，DM‑MPCB具有在正负极直流系统中的通用性，且具有UFD失灵保护功能。本发明的双主断型多端口直流断路器性能方面DM‑MPCB与两端口HCB相当，在正负极直流系统中通用；且MPCB拓扑简单，在故障隔离过程中动作的器件少，可靠性高；DM‑MPCB减少了电力电子器件的使用数量，显著降低了设备的制造成本。

技术领域

本发明属于柔性直流电网保护与控制领域，涉及一种适用于多端直流电网的双主断型多端口混合直流断路器。

背景技术

近年来，随着大规模可再生清洁能源接入电网，以往电力能源就地消纳的格局被打破，远距离、跨区域大规模电力能源互联的新格局已经形成。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流电网具有多电源供电、多落点受电，潮流翻转不需要改变电压极性的优点，成为消纳大规模可再生能源的优选方案。但是柔性直流电网对直流侧故障的耐受能力较差，缺乏自然电流过零，直流故障电流中断困难。

直流断路器是柔直电网有选择性隔离直流侧故障的关键设备，主要分为三类，分别是机械式直流断路器(mechanical DC circuit breaker，MCB)，固态直流断路器(solid-state DC circuit breakers，SSCB)和混合式直流断路器(hybrid DC circuit，HCB)。MCB由于采用机械装置并且需要灭弧，因此故障电流分断时间较长。SSCB动作速度极快，但是固态断路器需要大量的全控型器件串联，导致其通态损耗大且制造成本较高。HCB结合了MCB和SSCB的优点，同时具备较低的通态损耗和快速的故障电流分断能力，拥有更好的应用前景。

典型的HCB结构如图1所示，它由通流支路、主断开关(Main breaker，MB)和剩余电流开关(residual current breaker，RCB)组成。通流支路由负荷转移开关(loadcommutation switch，LCS)和快速隔离开关(ultra-fast disconnector，UFD)两部分构成。LCS由极少数绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)模块构成。MB由大量IGBT模块和避雷器(metal oxide varistor，MOV)构成。典型的HCB只有一进一出两个端口，因此也可以称为两端口HCB。

两端口HCB具有绝对的选择性，能够切断单条线路上的故障电流，但其包含价格昂贵的MB，存在诸如高成本和大占地空间等问题。为解决上述问题，可以将n个两端口HCB集成到多端口HCB(Multi-port HCB，MPCB)中。如图2所示，单台MPCB可代替多台两端口HCB，在保证各进出线故障电流分断能力的同时，大幅减少了直流电网中HCB的数量和投资成本。

目前MPCB尚处于理论研究和样机试制阶段，仍有许多问题亟待解决。在未来直流电网朝着多端、大容量方向发展的大背景下，本发明对MPCB的研究原则如下：

1)在性能方面MPCB应与两端口HCB相当，能够中断线路故障限流、母线故障电流和双向负荷电流。具有对其内UFD的失灵保护功能，像两端口HCB一样具有在正负极系统中的通用性。

2)为了满足全选择性及经济性的要求，需尽量减少MPCB内部采用的电力电子器件数量，降低设备的制造成本。

3)MPCB拓扑应尽可能简单，在故障清除过程中动作的器件应尽可能少，以提高设备的可靠性。

基于上述原则，本发明提出了一种正负极系统通用的MPCB拓扑结构，所提MPCB具有两个单向MB，因此被称为双主断型MPCB(Double main breaker MPCB，DM-MPCB)。DM-MPCB可以通过两个单向MB中断任何端口任意方向的线路故障电流，以及母线故障电流；另外，针对UFD失灵提出了相应的控制程序，以确保故障的可靠隔离。

发明内容